飞机壁板装配工装与有限元分析

刘宏亮

摘 要： 飞机的设计制造需要满足较高的使用寿命，传统的装配定位主要是刚性定位，而现代化的飞机设计采用工装的柔性化与数字化。衡量飞机壁板装配工装的主要性能指标是工装的结构刚性是否满足要求，而ANSYS是很好的优化设计工具。本文研究了飞机壁板数字化定位系统，定位的过程由计算机数字化控制，设计优化通过有限元分析来实现，提高了工作效率与定位的准确性。

关键词： 柔性化;结构刚性;壁板装配工装;ANSYS

1.飞机壁板装配工装

飞机壁板主要分为典型壁板结构，复材壁板，整体壁板结构等，本文主要研究的对象为典型壁板结构。

飞机壁板组件的加工制造与装配工装设计及装配工艺是影响壁板装配质量的决定性因素。机身典型壁板的加工工艺主要有：蒙皮，长桁，隔框，角片。

（1）蒙皮零件是构成飞机机身的气动外形，可以承受垂直与其表面的空气载荷与拉伸压缩与剪切空气载荷，并将压力传递给机身骨架，所以骨架外形常常根据蒙皮外形制作，传统的蒙皮材料主要为铝合金。长桁是机身的纵向受力构件，主要用来加强壁板的强度，并且将来自于蒙皮的载荷传递给隔框。隔框一般以钣金件为主，其截面通常为“Z”形，通过角片连接到蒙皮与长桁上。角片主要用以连接。

（2）飞机的设计工艺分离面是指设计人员为了满足设计需求与今后使用方便的条件下将较大的部件进行划分段件的工艺过程。从装配的合理化考虑，其划分的主要原则有：

a、尽量满足平行装配以提高效率。

b、尽量减少复杂部件的装配，以减少工装次数。

c、尽量使装配工作更加开敞，以提高装配质量。

d、尽量满足飞机装配的数字化，柔性化，自动化。

（3）飞机壁板装配的定位方法。

a、按装配工装定位，在飞机装配中应用最广泛的定位方法，准确度高。

b、按照基准工件定位，一般作为辅助定位，数控机床加工。

c、画线定位法，最传统的定位方法，主要取决与工人的画线水平。

d、按工件的装配孔定位，即在已有装配关系的工件上加工出协调孔以定位，应用方便迅速，简化夹具，但累积误差较大。

2.壁板柔性工装设计

随着社会的发展，工装技术正在向数字化、模块化、柔性化的方向发展，本文主要介绍柔性工装。

飞机壁板的柔性工装结构主要分为骨架、定位单元、夹紧单元、锁紧单元四大部分。飞机壁板的柔性工装采用的是框架式结构，框架横梁上设有导轨，导轨上安装了可移动滑块，可调形卡板装在滑块上，壁板卡板在框架里边沿导轨滑动。

（1）卡板结构设计，卡板零件在飞机装配工装上是保证壁板在飞机上定位的关键工装，工作面的形状要与壁板的外形高度一致，是不能独立设计的，组成元件有压紧器、孔的钻膜、真空吸盘。

（2）工装可重构，在装配工装上需要设计可重构工作单元，壁板工装采用框架和框架上的滑块、导轨，移动支架连接在滑块上可以沿轨道滑动、伺服电机、壁板卡板、在移动支架上，伺服电机通过齿轮带动卡板移动，在通过结合激光、数字化技术、测量技术实现卡板定位支点精确重构调形。

（3）在工装零件的设计上，工装内部需要大量的滚珠丝杠，来满足装配过程中的移动，所以它的使用寿命和载荷变得非常重要，丝杠预期额定动载荷计算公式如下：

式中：C——预期额定动载荷;

n——转速;

L——预期工作时间;

F——最大载荷;

f——负荷系数;

fa——精度系数;

fc——可靠系数。

3.柔性工装有限元分析

ANSYS是一款有限元分析软件，通过对元件结构的静应力分析，提出工装设计结构的优化方案。ANSYS的工装型架应力分析.

（1）建立模型，主要包括橫梁、立柱、斜支撑、卡板及定位条等。材料主要是钢，尺寸为3000mmx4000mm，弹性模量为2.1x1011Pa，泊松比0.3，密度7.8x103kg/m33，单元类型选择梁单元，截面选管型，四根梁尺寸为50mmx160mmx8mm，四根斜支撑为120mmx120mmx8mm，其余型材为160mmx160mmx8mm，卡板，定位条等小件影响忽略不计。本模型中有限元划分单元1367，节点数2724：

（2）在壁板组件装配时，已知卡板和零件的质量，零件上有铆钉，工件上还有定位条，如果都做计算的话就太过于繁琐，所以引入载荷系数。通过适当选取载荷系数，模拟极端情况下框架的受力。

结论

飞机壁板零件是飞机机身机构中重要且基本的零件，它的特点是刚度差、在装配的时候容易形变、同时结构尺寸大、制造的精度要求高，所以在装配中会产生误差，从而影响飞机的质量和性能，所以在壁板装配方法中传统的装配方法基础上，结合数字化、柔性化装配，同时在飞机壁板零件的设计阶段，采用ANSYS软件进行分析，可以提高装配精度和装配效率，满足飞机的性能要求。

参考文献

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